แบบจำลองอะตอม


แบบจำลองอะตอมตามทัศนะของทอมสัน

ในปี  1895 หลังจากทอมสันได้ค้นพบอิเลคตรอน(จากการหาค่าประจุต่อมวลของอนุภาคในรังสีแคโทด) และเชื่อว่าอะตอมแบ่งแยกได้ โดยมีอิเลคตรอน เป็นส่วนประกอบหนึ่งของอะตอม  ทอมสันจึงสร้างแบบจำลองอะตอม ซึ่งแบบจำลองอะตอมของทอมสันจะมีลักษณะดังนี้
1. อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม
2. เนื้ออะตอมส่วนใหญ่จะเป็นประจุไฟฟ้าบวกและมีประจุลบกระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ
3. ภาวะปกติอะตอมจะเป็นกลางทางไฟฟ้า(มีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับประจุไฟฟ้าลบ)
4. ภาวะปกติอิเลคตรอนจะอยู่นิ่งในอะตอม

อย่างไรก็ตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน มีข้อบกพร่องอยู่หลาย ประการ เช่น
1.ไม่สามารถอธิบายได้ว่าประจุไฟฟ้าบวกยึดกันอยู่ได้อย่างไรทั้งๆที่มีแรงผลักทางคูลอบ์มซึ่งกันและกัน
2.ไม่สามารถอธิบายการเกิดสเปกตรัมได้
3.ธาตุนีออน(Neon)ซึ่งมีอิเลคตรอน 10 ตัว ธาตุโซเดียม(Na)มีอิเลคตรอน 11 ตัวการจัดเรียงตัวของอะตอมก็น่าจะคล้ายๆกันแต่ทำไมอิเลคตรอนตัวที่ 11 ของโซเดียมจึงหลุดจากอะตอมได้ง่ายกว่าอิเลคตรอนตัวที่ 10 ของธาตุนีออน
4.อธิบายไม่ได้ว่าทำไมโซเดียมจึงทำปฏิกริยากับธาตุอื่นๆได้ดีกว่านีออนทั้งๆที่การจัดเรียงตัวของอะตอมคล้ายๆกัน

แบบจำลองอะตอมตามทัศนะของรัทเทอร์ฟอร์ด

(Rutherford Atomic Model)


ในปี ค.ศ. 1911 ไกเกอร์ และ มาร์ซเด็น (Geiger & Marsden) ได้ใช้เทคนิคเพื่อหาดูว่ามีอะไรอยู่ข้างในอะตอมโดยเขาได้ทำการทดลองตามคำแนะนำของเออร์เนสรัทเทอร์ฟอร์ด โดยใช้อนุภาคแอลฟา(alpha particlees, a )ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกที่ถูกส่งออกมาจากสารกัมมันตรังสีด้วยความเร็วสูง โดยอนุภาคแอลฟาก็คืออะตอมของธาตุฮีเลียม(helium)ที่สูญเสียอิเลคตรอนไปทั้งสองตัว เหลือประจุไฟฟ้า +2e เครื่องมือที่ไกเกอร์ & มาร์ซเด็น ใช้ทดลองประกอบด้วย กล่องโลหะทรงกระบอก B ภายในมีแผ่นโลหะ F และกล่องโลหะ R โดยวางตัวอย่างสารที่ส่งอนุภาคแอลฟาไว้ในกล่องโลหะ R ด้านหน้าของกล่องโลหะ มีรูเล็กๆเจาะไว้เพื่อทำให้อนุภาคแอลฟาเป็นลำแคบๆซึ่งจะพุ่งไปชนแผ่นโลหะบาง ๆ F เช่นเงิน แพลตินัม และทองคำ โดยข้างหลังแผ่นโลหะ F จะมีกล้องจุลทรรศน์ M ติดอยู่ด้านข้างของกล่อง B โดยกล่อง B และกล้องจุลทรรศน์ M สามารถหมุนไปด้วยกันได้ แต่กล่องโลหะบางและกล่องบรรจุแหล่งกำเนิดอนุภาคแอลฟาอยู่กับที่ ด้านล่างตรงกลางต่อกับท่อ T เพื่อสูบอากาศออก ทำให้ภายในกล่อง B เป็นสุญญากาศ และมีฉากซึ่งฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟด์(ZnS)ซึ่งเป็นสารเรืองแสงและจะเรืองแสงวาบออกมาเมื่อถูกอนุภาคแอลฟาชน ติดอยู่กับกล้องจุลทรรศน์ ดังรูป



เมื่อมองทางด้านบน จะเห็นลักษณะดังรูป

แสดงให้เห็นการจัดอุปกรณ์การทดลอง

 

แสดงให้เห็นการเรืองแสงของฉากบริเวณที่อนุภาคแอลฟาวิ่งชน

 

ผลการทดลองจะเห็นการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา

พิจารณาภาพต่อไปนี้ แสดงผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด


แบบจำลองนี้ได้มาจากการทดลองยิงอนุภาคแอลฟ่าเข้าไปยังแผ่นโลหะที่บางมากๆ สังเกตการกระเจิงของอนุภาคแอลฟ่า
จากการทดลองพบว่า
**อนุภาคแอลฟ่าส่วนใหญ่ทะลุผ่านแผ่นโลหะไปตรง ๆ โดยไม่ทำให้แผ่นโลหะเป็นรู
มีเพียงบางส่วนที่เบี่ยงเบนไปจากแนวเดิมเป็นมุมต่าง ๆ กัน และสะท้อนกลับทางเดิมก็มี



แสดงอนุภาคส่วนใหญ่ทะลุผ่านไปตรง ๆ

แสดงอนุภาคแอลฟาที่เบี่ยงเบนไปจากเดิม

ผลจากการทดลองทำให้สร้างรูปร่างของอะตอมที่ควรจะเป็นได้
ถ้าอะตอมเป็นแบบที่ทอมสันคิดไว้(แต่ละบริเวณภายในอะตอมจะมีสิทธิเป็นศูนย์เพราะประจุบวกกับลบกระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ)จะไม่สามารถทำให้อนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนไปจากเดิมเป็นมุมโต ๆ ได้ และโอกาสที่สะท้อนกลับทางเดิมคงไม่มี (ดังรูป)


ตามรูป แสดงการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา กรณีอะตอมเป็นแบบที่ทอมสันคิด

นั่นแสดงว่าการที่อนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนไปจากแนวเดิม หรือสะท้อนกลับทางเดิมได้แสดงว่าต้องมีแรงผลัก
แล้วแรงผลักนี้มาจากใหน ? และต้องมีค่ามากพอที่ทำให้อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับทางเดิมได้
จากการวิเคราะห์ผลการทดลองพบว่า แรงผลักน่าจะเกิดจากแรงระหว่างประจุไฟ้าของอนุภาคแอลฟาและนิวเคลียส
และการที่อนุภาคแอลฟาทะลุผ่านไปตรง ๆ แสดงว่าภายในอะตอมส่วนใหญ่จะเป็นที่ว่าง
เมื่ออนุภาคแอลฟาวิ่งเข้าใกล้นิวเคลียสก็จะมีแรงผลักทำให้อนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนไปจากแนวเดิม
การที่อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับทางเดิมได้ทั้งนี้เพราะอนุภาคแอลฟาวิ่งเข้าหานิวเคลียสในแนวผ่านจุดศูนย์กลางมวล
จึงทำให้อนุภาคแอลฟาเคลื่อนที่ช้าลง ๆ จนหยุดแล้วจะถูกผลักให้สะท้อนกลับทางเดิม (ดังรูป)


ตามรูป แสดงการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาตามการทดลองของรัทเทอฟอร์ด

จากข้อมูลที่ได้จากการทดลองเมื่อวิเคราะห์จะได้อะตอมมีลักษณะรูปร่างดังรูป



แบบจำลองอะตอมตามทัศนะของรัทเทอฟอร์ด
มีผู้เปรียบแบบจำลองของรัทเทอฟอรืดกับระบบสุริยะจักรวาล โดยนิวเคลียสคือดวงอาทิตย์และอิเลคตรอนคือดาวเคราะห์ต่าง ๆ

ข้อบกพร่อง ของแบบจำลองอะตอมตามทัศนะของรัทเทอร์ฟอร์ด
1. ไม่สามารถอธิบายได้ว่าอิเลคตรอนโคจรอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสได้อย่างไร ทั้ง ๆ ที่ถูกดูดโดยนิวเคลียส
2. อธิบายไม่ได้ว่า ทำไมการที่อิเลคตรอนโคจรรอบนิวเคลียสเป็นส่วนโค้งของวงกลม แสดงว่าอิเลคตรอน จะต้องมีความเร่งในทิศสู่ศูนย์กลาง ซึ่งตามทฤษฎีของแม็กเวลซ์ถ้าอิเลคตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร่งจะปล่อย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาจากตัวเอง ทำให้พลังงานของอิเลคตรอนลดลง และเมื่อพลังงานของอิเลคตรอนลดลง แสดงว่าวงโคจรของอิเลคตรอนจะต้องลดลงด้วย และตามหลักดังกล่าวจะทำให้รัศมีวงโคจรของอิเลคตรอนลดลงเรื่อย ๆ ในที่สุด จะถูกดูดโดยนิวเคลียส
3. ไม่สามารถอธิบายได้ว่าประจุบวกรวมตัวกันเป็นปริมาตรเล็ก ๆ อยู่ที่แกนกลางของอะตอมได้อย่างไร ทั้ง ๆ ที่ประจุบวกมีแรงผลักทางคูลอบ์มซึ่งกันและกัน
4. แบบจำลองไม่ได้อธิบายการจัดเรียงตัวของอิเลคตรอนในอะตอมว่าอิเลคตรอนมีการจัดเรียงตัวกันอย่างไร ในกรณีที่มีอิเลคตรอนหลาย ๆ ตัว



abarblyl.gif

กลับสูเมนูอิเลคตรอนและโครงสร้างอะตอม

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต 2.  สนามไฟฟ้า
3. ความกว้างของสายฟ้า  4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 
5. ศักย์ไฟฟ้า 6. กระแสไฟฟ้า 
7. สนามแม่เหล็ก  8.การเหนี่ยวนำ
9. ไฟฟ้ากระแสสลับ  10. ทรานซิสเตอร์ 
11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม
15. โครงสร้างของอะตอม 16. นิวเคลียร์ 

 

 

กลับสู่หน้าแรกของโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

 

 

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

การเรียนฟิสิกส์ 2 ผ่านทางอินเตอร์เน็ต